低强度经颅超声刺激调控大脑神经研究进展

李泽钧，黎峰铭，陈镜宇

(重庆医科大学附属儿童医院超声科 国家儿童健康与疾病临床医学研究中心儿童发育疾病研究教育部重点实验室 儿童发育重大疾病国家国际科技合作基地 儿科学重庆市重点实验室，重庆 400014)

利用神经调控技术(neural control technology， NCT)可获得大脑神经回路信息[1]。NCT分为非侵入性和侵入性。侵入性NCT需将电极植入生物体内，如深部脑刺激，操作风险较高；而非侵入性NCT如经颅直流电刺激及经颅磁刺激存在空间分辨率较差、聚焦效果欠佳及穿透深度受限等局限性[2]。低强度超声指频率>20 000 Hz、强度<100 W/cm2的声波，可兴奋或抑制神经元活动，且几乎不引起热效应及组织损伤。根据超声波频率，低强度超声可分为聚焦超声和非聚焦超声；前者能量畸变较小，有望用于经颅神经调节。

低强度经颅超声刺激(low intensity transcranial ultrasound stimulation， LITUS)为利用低强度聚焦超声(low intensity focused ultrasound， LIFU)穿透颅骨调节神经组织的技术，具有成本低、无创、时间和空间分辨率高、穿透性强及易于适应闭环疗法等优点，优于其他脑部刺激方法，已获得广泛关注[2]。研究[3-4]证实，LIFU不仅能调控大脑皮层脑区，还可非侵入性刺激深部脑区。本文对近年LITUS调控大脑神经的研究进展进行综述。

1 动物实验

1.1 正常模型 LITUS可引发神经活动、运动反应及皮质血流动力学反应[5-6]；不同参数LITUS作用于大脑不同部位可产生不同调控作用。XIE等[7]采用空间峰值脉冲平均声强(intensity spatial peak pulse average， ISPPA)为1.10 W/cm2的LIFU照射正常小鼠初级运动皮层，发现其运动皮层与肌肉之间的耦合强度增强，并与声脉冲群重复数(number of tone bursts， NTB)呈显著正相关。既往研究[8]表明，以空间峰值时间平均声强(intensity spatial peak time average， ISPTA)为20.00 W/cm2的LIFU刺激大鼠丘脑腹外侧核能可逆性抑制体感诱发电位；以ISPPA为2.30、4.60 W/cm2的LIFU刺激大鼠下丘脑可抑制听觉诱发电位，且强度越大，抑制作用越明显[9]。LITUS还可诱发特定行为，如以ISPPA为46.00 W/cm2的LIFU刺激小鼠初级体感皮层可诱发其原位动作电位引起转头行为[1]。此外，HUANG等[10]证实，LITUS(ISPPA=7.20 W/cm2)可有效改变新生大鼠海马神经元的树突结构、电生理特性及神经递质受体表达水平，可能原因在于LITUS可提高脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor， BDNF)表达而发挥神经保护作用[11]。

上述实验研究主要针对啮齿动物；以大型动物如灵长类为研究对象，将更有利于LITUS的临床转化。DANIELS等[9]发现LITUS(ISPPA=2.30、4.60 W/cm2)能抑制猪的听觉皮层诱发电位。WATTIEZ等[12]以LIFU(ISPPA=1.90、5.60 W/cm2)刺激猕猴额叶眼动区，发现其副视区活动及40%神经元活性明显增强。此外，LITUS(ISPPA=29.50 W/cm2)还能引起猕猴初级体感皮层功能MRI(functional MRI， fMRI)信号明显增强[13]。

1.2 疾病模型 多项研究[14-18]表明，LITUS可有效抑制神经系统/精神疾病进展，包括阿尔茨海默病、帕金森病及癫痫等。以LIFU(ISPPA=5.10 W/cm2)刺激帕金森病小鼠的底丘脑核可显著改善其行为，并降低初级运动皮层(M1)中的帕金森病重要生物标志物水平[16-17]，可能与LITUS可激活离子通道活性、增强或抑制神经元活性、进而调节神经网络振荡有关[19]。研究[18]证实，LITUS(ISPPA=0.70 W/cm2)可调节颞叶癫痫小鼠的海马CA1区神经振荡，有效抑制癫痫发作、延长癫痫潜伏期以及缩短癫痫发作持续时间。CHEN等[20]的研究结果同样表明，LITUS(ISPPA=2.81 W/cm2)能够干扰神经元活动，有效抑制急性癫痫动物模型脑电图的尖峰，且不影响大脑星形胶质细胞正常表型或导致脑损伤等。

早期治疗急性期缺血性脑卒中可明显降低患者脑损伤程度，改善远期预后[21]。以特定频率和强度的LIFU进行干预可减少脑梗死病灶体积，减少神经元凋亡[22]，提高BDNF表达[23]。BAEK等[24]以LIFU(ISPPA=2.56 W/cm2)刺激缺血性脑卒中小鼠的小脑外侧核，发现其半球间平衡得到恢复，并减少了相关浦肯野细胞死亡。同样，以LIFU(ISPPA=2.60 W/cm2)刺激缺血性脑卒中大鼠受损部位的皮层区域可降低脑组织受损程度、减少神经元丢失，还能稳定细胞膜Na+-K+-ATP酶、抑制细胞毒性水肿、改善神经元功能及预后[25]，且越早施行LITUS保护效果越佳[21]。此外，LITUS还可抑制大鼠震颤、引起尾部和四肢的运动反应[26]，缓解小鼠抑郁样行为[27]，调节衰老小鼠下丘脑功能，减少细胞凋亡，降低氧化应激和炎症反应[28]。

不同参数组合、辐照时间、辐照部位、甚至不同动物模型均可能引发不同的神经调控效应。上述动物实验中，LITUS所用频率多为0.05～2.00 MHz，辐照时间多为50～500 ms，最常用频率为0.5 MHz，但目前尚未能确定LITUS调控动物大脑的最佳参数，有待进一步研究。同时，LITUS对大脑神经调控的作用机制迄今仍不明确，可能与其激活离子通道(如神经细胞膜Na+-K+-ATP酶)、调节皮质血流动力学反应及增加大脑BDNF表达有关[19]。

2 临床研究

2.1 用于观察健康人 LITUS可引发人脑神经活动和运动反应。以LIFU(ISPPA=16.95 W/cm2)刺激健康人初级运动皮层，可增加其目标脑区激活体积，且该激活体积在空间上主要限于运动皮层(M1)，不会扩展至功能连接的运动区域[29]。LEGON等[30-31]分别采用LIFU辐照健康人丘脑(ISPPA=7.02 W/cm2，辐照500 ms)和初级运动皮层(ISPPA=17.12 W/cm2，辐照500 ms)，结果显示LITUS能有效抑制人大脑神经元。此外，LITUS(ISPPA=54.00 W/cm2，辐照2 min)用于健康人右侧额下回可调控与情绪相关的功能特异性脑网络，从而改善情绪[32]。

2.2 用于治疗神经系统/精神疾病 LITUS的聚焦程度和穿透深度可满足精准调节神经的要求，且不会对正常组织造成热损伤，因此，以LITUS治疗神经系统/精神疾病越来越受到重视。NICODEMUS等[33]将LITUS(ISPTA=0.52 W/cm2)用于阿尔茨海默病患者的海马或黑质，发现62.5%的患者认知评分提高，87%精细运动评分提高，87.5%大体运动评分提高，同时部分海马出现再生迹象。

3 安全性研究

LITUS用于临床的关键在于其安全性。LITUS热效应弱，能在不损伤组织的情况下可逆性调节神经活动，即使暴露于声束路径的脑区也未见损伤[10,25]。LEGON等[30]发现LITUS用于大脑的安全性高于高频经颅超声刺激。为避免对组织产生有害影响，美国食品药品监督管理局规定ISPPA应<0.72 W/cm2，且多项研究[10,25,30]表明，该标准内的超声刺激安全性较高。另一方面，较高强度LITUS可能导致大鼠大脑局部出血[34]。此外，以ISPPA=17.12 W/cm2的LIFU辐照500 ms刺激健康人的初级运动皮层后，部分受试者出现轻-中度头颈部疼痛、嗜睡、肌肉抽搐及瘙痒等症状，数日后消失[31]。虽然目前尚未见有关LITUS引起病理变化的报道，但部分研究[31]结果仍显示其存在一定安全问题，且LITUS用于灵长类动物或人类的研究较少，对其安全性仍需深入观察。

4 小结与展望

作为无创且具有广阔应用前景的神经调控方法，LITUS兼具传播方向性佳、聚焦效果好、穿透能力强和空间分辨率高等特点。LITUS可兴奋或抑制动物大脑神经，且迄今尚未出现明显安全性问题，但其具体调控机制尚不清楚，未来可采用体外细胞培养方法进一步探究。LITUS用于调控灵长类动物及人类大脑神经的研究尚未成熟，在更好地开展人体研究前，需评价其短期及长期安全性，并针对不同疾病探究最佳强度、占空比、声脉冲群重复频率和辐照时间等参数。另外，既往多数研究仅采用超声定位大脑目标，而NICODEMUS等[33]在fMRI引导下完成的临床试验结果提示，fMRI与LITUS相结合、实现精准靶向治疗将是未来的研究方向。